Integrált áramkörök/2 Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék
Mai témák MOS áramkörök alkatrészkészlete Bipoláris áramkörök alkatrészkészlete 11/2/2007 2/27
MOS áramkörök alkatrészkészlete Tranzisztorok Kapacitások vezetékek növekményes/kiüritéses, NMOS/PMOS Két fajtája: fém-oxid -félvezető poli-oxid-félvezető kapacitás 11/2/2007 3/27
MOS IC alkatrészek 4 MOS tranzisztor Felvétel optikai mikroszkóppal Elektron-mikroszkópos felvétel 11/2/2007 4/27
MOS IC alkatrészek Nagyáramú MOS tranzisztorok Sok tranzisztor kapcsolódik párhuzamosan aktív zóna gate 11/2/2007 5/27
Kapacitások MOS áramkörökben fém-oxid-félvezető kapacitás Síkkondenzátor geometriájú C = ε o ε r Mivel a SiO 2 re εr = 3,9, 40 nm gate-oxid vastagsággal számolva 1 mm 2 felületre 16 12 10 C = 8.86 10 3.9 = 864 pf 8 4 10 A t A a keresztmetszet, t a dielektrikum vastagsága, ε r a relatív permittivitása. kapacitás adódik. Ez egy 50x50 μm-es területre számolva kb. 2 pf. a reálisan szóbajövő értéktartomány néhány pf. A kapacitás gyakorlatilag feszültségfüggetlen 11/2/2007 6/27
Fém-oxid-félvezető (MOS) kapacitás A veszteségi ellenállás csökkenthető, ha a kondenzátor alsó elektródáját a hosszabbik él mentén, vagy mindkét oldalon kivezetjük. 11/2/2007 7/27
Poli-oxid-félvezető MOS kapacitás csak akkor működik, ha kapcsain a feszültség nagyobb mint V T. Mivel az inverziós réteg ellenállása nagy, célszerű körben kivezetni. 11/2/2007 8/27
MOS IC alkatrészek Kapacitások egy CMOS áramkörben A nagyobbik kapacitás értéke 4 pf 11/2/2007 9/27
A vezetékek tulajdonságai Belső összeköttetések Fémezésen Poliszilicium rétegen Source-drain diffúzión Egyik megoldás sem ideális, mindegyiknek van szórt kapacitása és soros ellenállása Nagyságrendjük: R : a négyzetes ellenállás I L w RR t L R = ρ = t w R L/w A diffúzió és a poliszilicium ellenállása jelentős 11/2/2007 10/27
Jelterjedés a vezetékeken Egyenáramú szempontból a vezeték ellenállás nem probléma (I g = 0 miatt), de tranziens körülmények között a működés sebességét csökkenti, a jelek időkésleltetéssel terjednek. átlagos jelkésleltetés t L = ami alatt a kimenő jel a V o / 2 értéket eléri, V o a bemenő jel t L = 3.5R C L negyzetes fajlagos 2 a távolság négyzetével, R -tel és C fajl al arányos kerülni kell a hosszú vezetékeket amit lehet, fémen kell összekötni 11/2/2007 11/27
11.1. példa Számoljuk ki egy átlagos poliszilicium vezeték késleltetését. A vezeték négyzetes ellenállása R = 50 Ω, C fajl = 36 pf/mm 2, L = 0.25 mm. Megoldás ( 3 0.25 10 ) 2 0.39nsec 6 t L = 3.5 50 36 10 = Ez a MOS kapuk fel- és lefutási időivel azonos nagyságrendű érték. Mivel azonban a vezeték hosszának négyzetével arányos, L = 1 mm esetén, a késleltetés értéke már 6.4 ns, 2 mm esetén 25 ns! Diffúziós vezeték adatokra hasonló nagyságú késleltetési idők adódnak. Fémezési adatokkal számolva kb. 3 nagyságrenddel kisebb késleltetési idők adódnak. a kritikus összeköttetéseket fémezéssel kell megvalósítani. (pl. órajel) 11/2/2007 12/27
A bipoláris integrált áramkörök alkatrészei Nagyobb elemkészlet mint a MOS áramköröknél: Ellenállás Kondenzátor Dióda Bipoláris tranzisztorok A passzív elemek értékkészlete korlátozott, a minőség is rosszabb, mint diszkrét elemeknél. 11/2/2007 13/27
Bipoláris IC alkatrészek A bipoláris technológiát az npn tranzisztorra optimalizálták Az npn tranzisztor kialakítása: eltemetett rétegek epitaxiális rétegnövesztés n - tip. (4-8 μm) Szigetelés kialakítása diffúzióval vagy árokmarással Bázisdiffúzió (p) Emitter diffúzió n + Kontaktus ablak nyitás Fémezés összeköttetés mintázat kialakítása 11/2/2007 14/27
Bipoláris IC alkatrészek szigetelés -diffúzió 11/2/2007 15/27
Bipoláris IC tervezési kérdések Az áram terhelhetőséget az áram kiszorítás korlátozza, a terhelhetőséget az emitternek a báziskivezetéssel szemközti él hossza határozza meg, aminek terhelhetősége kb. 1.5-2 A/cm. 2 ma-es áramhoz 10 μm-es élhosszúság szükséges, azaz nagyon nagy struktúrák adódnak az élhossz kétoldali kivezetéssel, vagy spec. geometriával növelhető 11/2/2007 16/27
Bipoláris IC tervezési kérdések Módszerek a terület csökkentésére: közös emitteres, közös bázisú, közös kollektoros struktúrák. Multiemitteres tranzisztorok 11/2/2007 17/27
Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok 11/2/2007 18/27
Laterális tranzisztor A,B sokkal kisebbek mint az npn tranzisztoré,de V BR nagy Pnp tranzisztorok Jellegzetes kivitelek: Multikollektoros Áramtükör kapcsolás 11/2/2007 19/27
Pnp tranzisztorok Vertikális pnp tranzisztor Alatta nincs eltemetett réteg Kollektora mindig a negatív tápfeszültségre kapcsolódik (műveleti erősítők kimenő fokozatában). 11/2/2007 20/27
Diódák Diódákat általában tranzisztorokból alakítanak ki. A szokásos módozatok: Nem egyenértékű megoldások, pl. 1,2,5-re V BR kicsi, 1 lassú a szakadás C miatt, stb. 11/2/2007 21/27
Ellenállások bipoláris áramkörökben Leggyakrabban a bázis diffúzióval alakítják ki őket a bázis diffúzió szokásos négyzetes ellenállás értéke R = 100-200 Ω/. Az ellenállásokat közös szigetben lehet kialakítani, de a szigetet a pozitív távfeszültségre kell kötni. (Igy a záróirányban előfeszített pn átmenet szigetel). 11/2/2007 Az ellenállások értéke: R = R L/D 22/27
Ellenállások bipoláris áramkörökben A szokásos értékek: 100.10-40 kω (meander alak) A létrehozható ellenállások nem pontosak (kb. 10 %) de a relatív pontosság, az azonosra tervezett ellenállások egyezése jó. Hőmérsékletfüggés: kb. 0.1 %/C kb. 400 Ω Parazita kapacitások Maximális terhelhetőségük korlátozott, kb. 20 W/mm 2 11/2/2007 23/27
Bipoláris IC alkatrészek Bázisdiffúziós ellenállás, meander alakban hajtogatva 11/2/2007 24/27
Ellenállások bipoláris áramkörökben Nagy ellenállás értékek: megnyomott ellenállásokkal n + diffúzióval semlegesítik az ellenállás felső, legjobban vezető rétegét Az előállítható négyzetes ellenállás értékek: R = 5-20 kω Pontatlan, letörési feszültsége kicsi Más lehetőségek (Ezek további maszkokat igényelnek) Ionimplantálással Polisziliciumból 25/27
Kapacitások bipoláris áramkörökben A pn átmenetek kiürített rétegének kapacitásai Használhatók, de probléma, hogy záróirányú előfeszítést igényelnek és feszültségfüggők. C EB ~ 100 pf/mm 2, V BR kicsi C CB ~ 150 pf/mm 2, V BR nagy Vékonyréteg kapacitás Az elérhető fajlagos kapacitás C 350 pf/mm 2 1-10 pf reális BiCMOS áramkörökben a bipoláris és a MOS eszközök közösen fordulnak elő, egyesítve a két technológia előnyeit. 26/27
Bipoláris IC alkatrészek kondenzátor egy műveleti erősítőben Értéke: kb. 30pF 11/2/2007 27/27